NML研究文章|ORR催化剂:氮氟共掺杂微孔碳材料

N, F-codoped Microporous Carbon Nanofibers as Efficient Metal-Free Electrocatalysts for ORR

Tianle Gong, Ruoyu Qi, Xundao Liu, Hong Li, Yongming Zhang

Nano-Micro Lett. (2019) 11: 9

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0240-x

本文亮点

1  通过静电纺丝、水热和高温碳化法制备出氮、氟双掺杂微孔碳纳米纤维催化剂,该催化剂具有较高的氮、氟掺杂含量、高的比表面积以及多级的纳米结构。

2  首次采用PVDF作为氟掺杂碳ORR催化剂的氟源。

3  所得的氮、氟双掺杂微孔碳纳米纤维在碱性条件下展现出优异的ORR催化活性及稳定性;在酸性条件下也表现出一定的催化活性。

内容简介

燃料电池阴极的氧还原反应(ORR)反应动力学缓慢,需要高效催化剂降低反应活化能,提升反应动力学速率。目前最常用的Pt基催化剂存在Pt价格昂贵、资源稀缺、催化剂稳定性有待提升等问题,因此急需寻找高效、价格低并且稳定性好的非金属催化剂。

其中异质原子(如N、S、P、F、B等)掺杂的碳材料表现出良好的催化活性和高的稳定性。氟元素由于具有最高的电负性,将其掺杂入碳材料后可以提高碳材料导电性、改变碳原子及其周围原子的电子排布和原子结构,形成具有sp2杂化的碳结构离域共轭体系,从而提高碳材料的电催化活性。但对于氟掺杂碳材料的研究却不多,主要原因是掺杂难度较大、掺杂量低。

上海交通大学李虹副研究员课题组首次以聚偏氟乙烯(PVDF)作为氟源,通过聚丙烯腈/聚乙烯吡咯烷酮/聚偏氟乙烯三元聚合物的静电纺丝、水热和高温法制备出氮、氟双掺杂微孔碳纳米纤维催化剂(N, F-MCFs)

由于催化剂中氮、氟双掺杂的协同效应,高比表面积及多级纳米结构,使得该催化剂在碱性条件下表现出优异的ORR催化活性和稳定性;在酸性条件下也显示出一定的催化活性。

图文导读

1  N,F-MCFs的微观形貌与结构分析

XRD和Raman谱图(图2)显示N, F-MCFs催化剂为无定型碳结构,且存在较多缺陷。通过BET分析可知,N, F-MCFs催化剂具有较大的比表面积和微孔结构,这有利于提供更多的ORR催化活性位点。(N, F-MCFs-A催化剂比表面积为709.78 m2/g,平均孔径为2.37 nm。N,F-MCFs-B催化剂比表面积为621.46 m2/g,平均孔径为2.77 nm。)

图2 N,F-MCFs催化剂的结构表征。(a)XRD衍射谱图,(b)Raman谱图,(c)N,F-MCFs-A催化剂BET表征,(d)N, F-MCFs-A催化剂BET表征。

2   N,F-MCFs的电催化活性

本文研究了碱性条件下N, F-MCFs的ORR性能。从图中可以看到,N, F-MCFs-A催化剂的起始电位为0.94 V(vs. RHE),半波电位为0.83 V(vs. RHE),反应转移电子数为4.0,H2O2产率低于10%,与商业化的Pt/C催化剂性能相当。

与N掺杂多孔碳纳米纤维或氮、氟双掺杂无孔碳纳米纤维相比,N, F-MCFs具有更高的催化活性。同时,对N, F-MCFs催化剂进行CN配位测试,排除了合成过程中可能引入的金属离子对催化活性的贡献,表明ORR催化活性由催化剂中掺杂的F、N原子提供的。

图4 N, F-MCFs催化剂的碱性条件下ORR催化性能。(a)CV图,(b)LSV对比图,(c,d)N, F-MCFs-A的LSV图和K-L图,(e,f)N, F-MCFs-B的LSV图和K-L图,(g)H2O2产率,(h)-CN配位测试。

 

通讯作者

李虹

副研究员

上海交通大学化学化工学院

主要研究方向:

燃料电池用聚合物电解质膜及催化剂;含氟高分子材料。

E-mail: lh102@sjtu.edu.cn

第一作者

龚天乐

硕士研究生

上海交通大学化学化工学院

主要研究方向:

燃料电池催化剂

E-mail: ivangong@sjtu.edu.cn

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Nano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯,在 Springer 开放获取(open-access)出版。可免费获取全文,欢迎关注和投稿。

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